铝酸镍和云母协效体系对PVC的阻燃研究

陈灵智

（衡水学院，河北衡水053000）

聚氯乙烯（PVC）因具有加工性能良好和价格低廉的特点,在农业、交通、建筑等许多领域被广泛应用[1-2]。但由于PVC在加工过程中加入大量的增塑剂及一些助剂，使其燃烧性能增加，并且燃烧时还会产生大量的黑烟和腐蚀性气体,对人类的生命安全造成很大影响,并且还会污染环境[3-4]。所以提高PVC的阻燃性能，减少其燃烧时的发烟量，对PVC应用领域的不断延伸有重要意义[5]。铝酸盐是一种新型的无机阻燃剂，因其无毒、无害和具有较好的阻燃效果，可作为无机阻燃剂被应用于PVC材料的阻燃研究[6]，但同时其又具有与材料相容性较差等缺点。通过铝酸镍和云母的协效体系研究了阻燃剂的加入对PVC材料的阻燃抑烟以及力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

硝酸铝（分析纯，天津市致远化学试剂有限公司）；硝酸镍（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；PVC（工业品，河北保定化学试剂公司）；硬脂酸（分析纯，河北保定化学试剂公司）；云母（分析纯，河北保定化学试剂公司）；邻苯二甲酸二辛酯（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）。

1.2 主要仪器和设备

X(S)K-100开放式炼胶(塑)机（无锡市创成橡塑机械有限公司）；XLB-D400平板硫化机（青岛市天鑫工贸有限公司（机械厂））；D8-ADVANCE型X-射线粉末衍射仪（Bruker Germany）；JCY-2建材烟密度测试仪（南京市江宁区分析仪器厂）；HC-1氧指数测定仪（南京江宁分析仪器厂）。

1.3 铝酸镍的制备

用9 mol/L硝酸铝和硝酸镍混匀，之后60℃超声1 h,在超声过程中一边搅拌一边滴加过量的氢氧化钠溶液至pH=14，常温下静置16 h，静置完后将其装入反应釜中，放入烘箱180℃的温度条件下反应5 h后，抽滤、烘干、备用。

1.4 PVC样品的制备

将润滑剂、偶联剂、增塑剂等助剂和铝酸镍粉末、云母粉添加到PVC树脂中混合均匀，将其放在温度为145℃的双棍混练机上进行混炼，混炼时间为5～6 min，放入平板硫化机中硫化，在2 MPa压强下保压2 min，然后提高到10 MPa压强下保压8 min，保压结束后将材料取出冷压10 min。然后将样品放在万能制样机上进行加工，制作实验需要的样品，将其留好，等到性能测试时使用。

1.5 性能测试

1.5.1 XRD测定

在40 kV的电压、扫描范围为10°～90°、Cu Kα（λ=0.154 06 nm）辐射的条件下，通过XRD衍射仪对铝酸镍进行扫描，将得出的XRD图谱与标准的铝酸镍图谱进行对比分析。

1.5.2 氧指数的测定

氧指数（LOI）指的是试样在氮气、氧气混合气流中能够维持燃烧所需要的最低氧含量的百分比，是表达塑料和其他高分子材料相对燃烧性能的一种方法，一般用它就可以判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度。材料的极限氧指数越大，燃烧所需要的条件也就越高，它的阻燃性能也就越好。本次实验采用国标GB/T 2406-1993对聚氯乙烯（PVC）的极限氧指数进行测试。

1.5.3 烟密度的测定

烟密度指透过烟的光强度的减弱量来表述材料在规定的实验条件下的发烟量。材料在烟箱中燃烧会产生烟气，而烟箱的光通过烟气中的固体尘埃时会发生反射，这样就会导致一部分光通量损失。我们可以通过测量光通量的变化来表达烟密度的大小，从而确定在燃烧的条件下材料可能释放烟的程度。烟密度越大，发烟量越高，产生的烟气也就越多，产生的危害也就越大。本实验采用JCY-2型建材密度测试仪对制作出来的PVC样品的烟密度进行测试，试样尺寸为25 mm×25 mm×6 mm。

1.5.4 拉伸强度的测定

材料的拉伸强度指的是在拉伸试验中试样从开始被拉一直到断裂所承受的最大拉伸应力。本次实验采用国标GB/T1040.2-2006对制作出来的PVC样品的力学性能进行测试，拉伸速率为200 mm/min，实验温度为25.4℃，相对湿度为（60±10）%。

2 结果与讨论

2.1 XRD谱图分析

图1是以硝酸铝和硝酸镍为前躯体溶液，通过高压釜反应所制得的铝酸镍阻燃剂的X-射线衍射（XRD）谱图。通过和铝酸镍标准图谱卡片比较，结果表明，经过高压反应釜法合成的铝酸镍阻燃剂与标准卡片中特征峰值相对应，表明实验合成的铝酸镍阻燃剂为纯相的铝酸镍阻燃剂。

图1 铝酸镍的XRD谱图

2.2 铝酸镍和云母的协效体系对PVC的阻燃消烟效果

由表1中的极限氧指数数据可以发现，没有加入阻燃剂的PVC材料的极限氧指数为26.9%，加入铝酸镍阻燃剂后，阻燃效果最好的是添加5 g时，极限氧指数为27.8%。单独加入云母时发现，随着阻燃剂量的增加，极限氧指数也随之增加，当达到9 g时，极限氧指数最高，达到27.4%，而当加入9 g的铝酸镍阻燃剂和1 g云母粉时，氧指数有了比较明显的升高，它的数值从空白26.9%提高到了28.4%，提高了1.5%。也就是说当铝酸镍和云母的协效比例为9∶1时，PVC样品的阻燃效果相对来说是最好的。

表1 阻燃前后PVC样品的氧指数及烟密度

由表1中的烟密度数据可以发现，加入铝酸镍、云母后，铝酸镍和云母的协效体系对PVC有阻燃抑烟作用，没有加入阻燃剂的PVC材料的烟密度为95.24%，加入铝酸镍阻燃剂后，消烟效果最好的是添加9 g铝酸镍阻燃剂时，烟密度为80.16%。单独加入云母时发现，随着阻燃剂量的增加，烟密度也随之减少，当达到9 g时，烟密度最低，消烟效果最好，达到89.65%；当加入9 g铝酸镍和1 g云母时，烟密度由空白样的95.24%降为77.74%，在这几组实验中烟密度是最小的，所以当铝酸镍和云母的协效比例为9∶1时，对制作出来的PVC样品的消烟效果相对来说是最好的。

表2数据显示，当加入铝酸镍、云母协效发生作用后，对PVC材料的断裂伸长率、拉伸强度都产生较为明显的影响，没有加入阻燃剂的PVC材料的拉伸强度为19.18 MPa，断裂伸长率为223%，加入铝酸镍阻燃剂后,当加入1 g时，它的拉伸强度最大为23.16 MPa，而它的断裂伸长率随阻燃剂的增加表现为下降趋势。单独加入云母时发现，随着阻燃剂量的增加，它的拉伸强度也随之增加，断裂伸长率也相对只加入铝酸镍时变大。当铝酸镍与云母协效加入时，当添加9份铝酸镍和1份云母，拉伸强度和断裂伸长率数值分别为18.17 MPa、227%，这时的力学性能相对来说最好。阻燃剂添加量的增加会使PVC材料的力学性能降低，这可能是因为添加了云母和铝酸镍。因为PVC的化学结构、材料的组成以及它的聚集态结构都可能因加入阻燃剂而变化，导致应力和应变发生较大变化。综合比较可以发现，当添加9份铝酸镍和1份云母，拉伸强度和断裂伸长率数值分别为18.17 MPa、227%，阻燃后的PVC力学性能最好。

表2 阻燃剂对PVC力学性能的影响

3 结论

用反应釜法合成的铝酸镍阻燃剂经XRD表征为纯相，将其与云母协效应用到PVC材料的阻燃研究中，当添加9份铝酸镍和1份云母时，试样的极限氧指数为28.4%，烟密度等级为77.74%，拉伸强度为18.17 MPa，断裂伸长率为227%。因此，经铝酸镍和云母协效处理后PVC的阻燃效果最佳，且力学性能也符合国标要求。